Rozpowszechnienie genów fimbrii oraz integronów typu - Eko-DOk
Transkrypt
Rozpowszechnienie genów fimbrii oraz integronów typu - Eko-DOk
oczyszczanie ścieków, uropatogenne Escherichia coli, adhezyny fimbrialne, integrony typu 1 Justyna MAZUREK*, Paweł PUSZ*, Ewa BOK*, Michał STOSIK*, Aneta ŁUCZKIEWICZ**, Katarzyna BALDY-CHUDZIK* ROZPOWSZECHNIENIE GENÓW FIMBRII ORAZ INTEGRONÓW TYPU 1 U ESCHERICHIA COLI ZE ŚCIEKÓW OCZYSZCZONYCH I WÓD ODBIERALNIKA Celem badań było określenie częstości występowania genów fimbrii oraz integronów typu 1 wśród izolatów E. coli pochodzących z oczyszczonych ścieków oraz wód brzegowych, które są odbieralnikami ścieków. Materiał badawczy pochodził ze ścieków oczyszczonych oczyszczalni “Gdańsk-Wschód” (89 izolatów E. coli) oraz z wód brzegowych Zatoki Gdańskiej, do których oczyszczone ścieki są odprowadzane (70 izolatów). Określono przynależność izolatów E. coli do jednej z czterech grup filogenetycznych za pomocą metody multiplex- PCR. Metodą PCR identyfikowano również geny kodujące fimbrie typu 1 (fimH), typu P (papA) oraz S (sfaS) charakterystyczne dla patogenów pozajelitowych (uropatogenów), a także geny integronu typu 1, odpowiadające za oporność na antybiotyki. Wśród izolatów pochodzących ze ścieków oczyszczonych najwięcej z nich reprezentowało grupę filogenetyczną A i B2. W strukturze filogenetycznej E. coli pochodzących z wód odbiornika zaobserwowano większą liczebność izolatów z grupy A i znaczący spadek ilości z grupy B2, w porównaniu do ścieków. Geny dla fimbrii typu 1, P oraz S, związane z uropatogennymi E. coli, występowały w przeważającej mierze u izolatów pochodzących ze ścieków i należały głównie do grupy filogenetycznej B2. Geny integronu typu 1 związane z opornością na antybiotyki wykrywane były z niską częstością. Prezentowane wyniki wskazują, że proces oczyszczania ścieków może prowadzić do selekcji E. coli patogennych dla człowieka, a ich ładunek nie stanowi znaczącego zagrożenia dla wód odbiorników. 1.WSTĘP Jednym z celów oczyszczania ścieków jest przywrócenie im takiej jakości, by mogły być zwrócone do środowiska w stanie niezagrażającym ludzkiemu zdrowiu. __________ * Uniwersytet Zielonogórski, Wydział Nauk Biologicznych; ul. Monte Cassino 21b, Zielona Góra, [email protected] ** Politechnika Gdańska, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska, ul. G.Narutowicza 11/12, Gdańsk 406 I. MAZUREK i in. Zadaniem oczyszczalni ścieków jest nie tylko obniżenie ilości zawiesin oraz stężenia związków organicznych i nieorganicznych w ściekach, ale również eliminacja drobnoustrojów chorobotwórczych. Badania wskazują, że nawet w dobrze funkcjonujących oczyszczalniach biologicznych, bakterie Escherichia coli są wprowadzane do środowiska wraz z oczyszczonymi ściekami. Liczba E. coli w ściekach surowych waha się w zakresie 104-106 CFU/ml i choć proces oczyszczania może obniżać ich liczbę nawet 200-krotnie, to przeciętnie ponad 102 CFU E. coli/ml dostaje się do wód odbierających oczyszczone ścieki [13]. Badania ilościowe E. coli są wykonywane ze względu na jej funkcję jako wskaźnika sanitarnego zanieczyszczeń kałowych. E. coli wykazuje bardzo wysokie zróżnicowanie wewnątrz-gatunkowe będące efektem intensywnej wymiany genów w genomie na drodze horyzontalnego transferu genów, przez co bakterie te mogą nabywać różne geny wirulencji i wywoływać zarówno jelitowe, jak i pozajelitowe infekcje u człowieka (zapalenie jelita, układu moczowego opon mózgowych, sepsę). Gatunek E. coli obejmuje cztery główne grupy filogenetyczne: A, B1, B2 i D [4], które mogą różnić się zarówno ekologią jak i sposobem oddziaływania z organizmem człowieka, np. szczepy reprezentujące grupy A i B1 są najczęściej opisywane wśród komensalnej mikroflory człowieka, podczas gdy E. coli należące do grup B2 i D bardzo często wykazują cechy patogenne. Podkreślić warto, że ponad 90% różnych postaci infekcji układu moczowego powodowana jest przez E. coli grupy filogenetycznej B2. Większość chorobotwórczych E. coli produkuje specyficzne adhezyny fimbrialne, będące podstawowymi czynnikami kolonizacyjnymi [7]. Fimbrie typu 1 i P umożliwiają szczepom uropatogennym (UPEC) adhezję do komórek układu moczowego i tworzenie biofilmu na powierzchniach komórkowych i abiotycznych [2, 16]. Adhezyna fimbrialna typu S wykazuje powinowactwo do kłębuszków nerkowych oraz jest charakterystyczna dla szczepów E. coli wywołujących posocznicę i zapalenie opon mózgowych u noworodków [10]. Inny czynnik ryzyka epidemiologicznego stanowią bakterie oporne na antybiotyki. Istotną rolę w rozprzestrzenianiu się genów oporności odgrywają mobilne elementy genetyczne, a wśród nich najbardziej rozpowszechnione integrony klasy 1. Zawierają one gen int1 kodujący integrazę katalizującą włączanie lub wycinanie kaset genowych, miejsce rekombinacji att1 i jeden lub dwa miejsca promotorowe odpowiedzialne za ekspresję włączonych kaset genowych, warunkujących oporność na jeden lub więcej antybiotyków [12, 16]. Badania E. coli występujących w ściekach i środowisku wodnym z epidemiologicznego punku widzenia dostarczają informacji o rezerwuarze genów bakteryjnych, które mogą być użyteczne w ocenie potencjalnych zagrożeń wynikających z występowania bakterii niosących geny patogenności i lekooporności [5]. Dane dotyczące zanieczyszczenia środowiska patogennymi i/lub lekoopornymi E. coli, nadal są nieliczne na terenie Polski. Celem badań była analiza rozpowszechnienia genów adhezyn fimbrialnych oraz integronu typu 1 u E. coli Rozpowszechnienie genów fimbrii oraz integronów typu 1 u Escherichia coli ze ścieków ... 407 występujących w ściekach oczyszczonych oczyszczalni „Gdańsk-Wschód” i wodach Zatoki Gdańskiej będących odbieralnikiem tych ścieków. 2. MATERIAŁY I METODY Materiał do badań stanowiły szczepy E. coli wyizolowane ze ścieków oczyszczonych, oraz z wód Zatoki Gdańskiej odbierających ścieki oczyszczone z oczyszczalni „Gdańsk-Wschód”. Próbki oczyszczonych ścieków były pobierane na układzie technologicznym, natomiast drugi punkt poboru znajdował się w miejscu ujścia ścieków do Zatoki Gdańskiej, odprowadzanych w głąb zatoki kolektorem o długości 2,4 km. Oczyszczalnia posiada trójstopniowy układ technologiczny, obejmujący oczyszczanie mechaniczne, biologiczne i przeróbkę osadów, ścieki oczyszczone nie są dezynfekowane. Izolację i identyfikację E. coli w badanych próbkach, prowadzono metodami biochemicznymi w systemie zautomatyzowanym, a szczepy do badań molekularnych wybierano losowo spośród zidentyfikowanych E. coli w każdej z próbek. Ostatecznie wyselekcjonowano 89 szczepów reprezentatywnych dla ścieków oczyszczonych i 70 dla wód odbiorników. Przynależność E. coli do czterech głównych grup filogenetycznych określano metodą multiplex- PCR na podstawie obecności genów markerowych chuA i yjaA oraz fragmentu DNA TspE4.C2, wg schematu: dla grupy A: chuA-, Tspe4.C2-, yjaA-/ yjaA+; B1: chuA-, yjaA-, Tspe4.C2+; B2: chuA+, yjaA+, Tspe4.C2-/ Tspe4.C2+; D: chuA+, yjaA-, Tspe4.C2-/ Tspe4.C2+ [4]. Obecność genów markerowych dla adhezyn fimbrialnych: fimH (fimbria typu 1), papA (fimbria typu P) oraz sfaS (fimbria typu S) badano metodą PCR [3]. Wstępne badania mające na celu określenie stopnia rozpowszechnienia oporności na antybiotyki wśród E. coli przeprowadzano w oparciu o identyfikację części składowych integronu typu 1: genu integrazy- int1 oraz fragmentów zmiennych kaset genowych, przy użyciu metody PCR [11]. 3. WYNIKI Badano łącznie 159 szczepów E. coli, w tym 89 ze ścieków oczyszczonych i 70 z wód morskich odbiornika. Analiza filogenetyczna zbioru izolatów pozyskanych ze ścieków oczyszczonych wykazała porównywalną częstość występowania szczepów reprezentujących grupy filogenetyczne A i B2 (po 36% każda), a procentowy udział szczepów grupy B1 i D wynosił 19% i 9% odpowiednio. W zbiorze szczepów pochodzących z wód odbieralnika udział E. coli grupy A i B1 wynosił 53% i 26% 408 I. MAZUREK i in. odpowiednio i był wyższy w porównaniu do odnotowanego dla ścieków oczyszczonych, natomiast odsetek E. coli grupy B2 wynosił 13% i był niższy w odniesieniu do obserwowanego dla zbioru szczepów ze ścieków oczyszczonych. Procentowy udział izolatów grupy D wynosił 9% i kształtował się na tym samym poziomie co w ściekach oczyszczonych (Wykres 1). W całym zbiorze badanych szczepów najczęściej identyfikowano gen fimH dla fimbrii typu 1 (93,7 %), następnie papA dla fimbrii typu P (19,5%), najrzadziej zaś gen sfaS dla fimbrii S (4,4%) (Tabela 1). Jednoczesne występowanie genów dla fimbrii typu 1 oraz P stwierdzono u 15,7% szczepów. Obecność genów warunkujących każdy z trzech typów fimbrii, stwierdzono u 3,8% szczepów. Reprezentowały one grupę filogenetyczną B2 i pochodziły ze ścieków oczyszczonych. Obecność fimbrii typu S stwierdzono tylko u E. coli należących do grupy B2. U 6.7% szczepów pochodzących ze ścieków oraz u 4,3% z wód odbieralnika nie stwierdzono obecności żadnego z badanych genów adhezyn fimbrialnych. Wykres 1. Struktura filogenetyczna izolatów E. coli występujących w ściekach oczyszczonych oraz wodach-odbieralnikach ścieków oczyszczonych. Obecność genów dla integronu typu 1 stwierdzono u 7 szczepów ze ścieków oczyszczonych (8%) oraz u 7 z wód odbieralnika (10%) i zidentyfikowano wśród nich sześć typów kaset genowych o różnych rozmiarach (Tab. 2). Szczepy, u których stwierdzono obecność integronów typu 1 należały do różnych grup filogenetycznych i w większości przypadków (11 z 14 szczepów) posiadały gen fimbrii typu 1, a pozostałe obarczone były również genem fimbrii typu P. Rozpowszechnienie genów fimbrii oraz integronów typu 1 u Escherichia coli ze ścieków ... 409 Tabela. 1 Częstości występowania genów markerowych dla fimbrii typu 1 (gen fimH), fimbrii P (papA) oraz fimbrii S (sfaS) w strukturze filogenetycznej szczepów E. coli stwierdzanych w ściekach oczyszczonych oraz wodach odbiornikach ścieków oczyszczonych. Częstość występowania genów markerowych dla fimbrii u E. coli w ściekach oczyszczonych Struktura filogenetyczna E. coli Grupa A Grupa B1 Grupa B2 Grupa D Razem Struktura filogenetyczna E. coli Grupa A Grupa B1 Grupa B2 Grupa D Razem Liczba szczepów pozytywnych dla genów: Liczba E. coli badanych fimH fimH + papA 32 17 32 8 89 24 16 11 7 58 3 0 14 1 18 fimH + papA + sfaS 0 0 6 0 6 sfaS Razem 0 0 1 0 1 27 16 32 8 83 Częstość występowania genów markerowych dla fimbrii u E. coli w wodachodbiornika Liczba szczepów pozytywnych dla genów: Liczba fimH E. coli fimH + fimH + papA sfaS Razem badanych papA + sfaS 37 32 2 0 0 34 18 16 2 0 0 18 9 6 3 0 0 9 6 6 0 0 0 6 70 60 7 0 0 67 Tabela. 2 Częstości występowania kaset genowych integronu typu 1 w strukturze filogenetycznej szczepów E. coli stwierdzanych w ściekach oczyszczonych oraz wodach odbiornikach ścieków oczyszczonych. Grupa filogenetyczna A B1 B2 D Razem Częstość występowania kaset genowych integronu typu 1 u E. coli w ściekach oczyszczonych Liczba Rozmiar fragmentu szczepów zmiennego pozytywnych 1,0 kpz 1 1,0 kpz; 1,5 kpz 2 1,0 kpz 2 1,0 kpz; 1,6 kpz, 2 7 Częstość występowania kaset genowych integronu typu 1 u E. coli w wodach odbiornika Liczba Rozmiar fragmentu szczepów zmiennego pozytywnych 0,8 kpz; 1,6 kpz; 1,8 kpz 5 1,8 kpz 1 1,6 kpz 1 7 410 I. MAZUREK i in. 4. DYSKUSJA Oczyszczanie ścieków w oczyszczalniach, w których nie prowadzi się specyficznej dezynfekcji, nie prowadzi do całkowitej eliminacji drobnoustrojów. Wody, do których trafiają takie ścieki stają się rezerwuarem mikroorganizmów patogennych. Zagrożenie to jest szczególnie istotne w regionach, w których wody są wykorzystywane do celów rekreacyjnych. W rejonie Zatoki Gdańskiej zlokalizowanych jest wiele kąpielisk, z których korzysta nawet do 2 mln osób rocznie [13]. W prezentowanych badaniach dokonano oceny stopnia rozpowszechnienia szczepów E. coli zawierających geny wirulencji (fimbrii) i warunkujących możliwość wywołania infekcji układu moczowego u człowieka oraz niosących determinanty genetyczne oporności na antybiotyki. Analizę rozpatrywano w kontekście struktury filogenetycznej E. coli, ze względu na powiązanie określonych grup filogenetycznych z patogennością tych bakterii. W ściekach oczyszczonych wykazano dominację liczebną E. coli z grupy filogenetycznej A (niepatogennej) oraz B2 (związanej z uropatogennością). Dane literaturowe wskazują, że szczepy E. coli zawierające uropatogenne geny wirulencji należące do grupy filogenetycznej B2 mogą w znaczącym stopniu przeżywać proces oczyszczania ścieków i dominować w strukturze filogenetycznej izolatów z oczyszczalni [1]. W strukturze filogenetycznej E. coli izolowanych z wód odbiornika, przeważały szczepy grupy A i B1, które są typowe dla bakterii niechorobotwórczych. Jednocześnie zmniejszyła się liczebność izolatów grupy B2, co wskazuje na zmniejszenie ryzyka obecności szczepów uropatogennych w wodach odbiornikach Zatoki Gdańskiej. Odprowadzanie kolektorem oczyszczonych ścieków z oczyszczalni Gdańsk-Wschód z dala od linii brzegowej i na głębokość ok. 15 m pod powierzchnią powoduje szybkie, ok. 1000-krotne ich rozcieńczenie [13]. Spadek ilości E. coli z grupy B2, może być więc wynikiem rozcieńczania oczyszczonych ścieków, lub też mniejszej zdolności przeżycia tych szczepów w wodach morskich. Obecność genów warunkujących adhezyny fimbrialne stwierdzono tylko wśród szczepów ze ścieków oczyszczonych i reprezentowały one wyłącznie grupę B2. Szczepy posiadające kilka markerów patogenności stanowią wyższe ryzyko zakażeń układu moczowego. W wodach Zatoki Gdańskiej ilość E. coli posiadających gen papA fimbrii P znacznie zmalała, i nie stwierdzono obecności genu sfaS dla fimbrii typu S. Istnieje niewiele danych obrazujących częstość występowania fimbrialnych E. coli w oczyszczonych ściekach lub środowiskach wodnych. Koczura i wsp. [9] identyfikowali obecność genów papA oraz sfaS w izolatach E. coli pochodzących z rzeki Warty. Wykazali oni znacznie wyższą częstość występowania genów dla fimbrii typu S oraz niższą częstość występowania genów dla fimbrii typu P, niż w niniejszych badaniach. Rozpowszechnienie genów fimbrii oraz integronów typu 1 u Escherichia coli ze ścieków ... 411 Wśród E. coli pochodzących ze ścieków i obciążonych genami dla więcej niż jednej fimbrii, obecność integronu typu 1 zidentyfikowano jedynie u 3 spośród 32 szczepów (9,4%). W wodach Zatoki Gdańskiej, odbiorniku, wykazywano obecność bakterii pochodzenia kałowego opornych na antybiotyki stosowane w medycynie, takie jak penicylina, cefalosporyny pierwszej generacji czy tetracyklina [8]. Jeśli do wody odprowadzane są ścieki zawierające bakterie posiadające czynnik wirulencji lub oporności na antybiotyki, z jednej strony stanowią one zagrożenie dla zdrowia człowieka, z drugiej strony poprzez horyzontalny transfer genów wewnątrz złożonych populacji mikroorganizmów mogą przyczyniać się do rozpowszechniania tych cech w środowisku [6]. Wśród badanych szczepów wykazano niską częstość występowania (poniżej 10%) integronów typu 1zawierających geny oporności. Podobnie niski odsetek E. coli obciążonych integronami typu 1 stwierdzili zarówno Mokracka i wsp., badając ścieki oczyszczone z oczyszczalni miejskiej z populacją ok. 550 tysięcy mieszkańców, jak i Silva i wsp. w regionie Portugalii [12, 14]. Prezentowane badania wskazują, że pomimo dość wysokiej częstości występowania potencjalnie uropatogennych i lekoopornych E. coli w ściekach oczyszczonych w oczyszczalni Gdańsk-Wschód, ich ładunek ulega znacznemu zmniejszeniu w wodach odbiornikach, obniżając znacznie zagrożenie epidemiologiczne. LITERATURA [1] ANASTASI E. M., MATTHEWS B., GUNDOGDU A., VOLLMERHAUSEN T. L., RAMOS N. L., STRATTON H., AHMED W., KATOULI, M., Prevalence and persistence of Escherichia coli strains with uropathogenic virulence characteristics in sewage treatment plants, Appl Environ Microbiol, 2010, Vol. 76, No. 17, 5882–5886. [2] BLUMER C., KLEEFELD A., LEHNEN D., HEINTZ M., DOBRINDT U., NAGY G., MICHAELIS K., EMODY L., POLEN T., RACHEL R., WENDISCH V.F. AND UNDEN G., Regulation of type 1 fimbriae synthesis and biofilm formation by the transcriptional regulator LrhA of Escherichia coli, Microbiology, 2005, Vol. 151, 3287–3298. [3] CHAPMAN T., WU X.Y., BARCHIA I., BETTELHEIM K., DRIESEN S., TROTT D., WILSON M., CHIN J.J., Comparison of virulence gene profiles of Escherichia coli strains isolated from healthy and diarrheic swine, Appl Environ Microbiol, 2006, Vol. 72, 4782–4795. [4] CLERMONT O., BONACORSI S., Rapid and simple determination of the Escherichia coli phylogenetic group. Appl Environ Microbiol, 2000, No. 60, 4555-4558. [5] GARCIA- ALJARO C., MORENO E., ANDREU A., PRATS G., BLANCH A.R., Phylogroups, virulence determinants and antimicrobial resistance in stx(2) gene-carrying Escherichia coli isolated from aquatic environments, Res Microbiol, 2009, Vol. 160, No. 8, 585-591. [6] GARCIA- ARMISEN T., VERCAMMEN K., PASSERAT J., TRIEST D., SERVAIS P., CORNELIS P., Antimicrobial resistance of heterotrophic bacteria in sewage-contaminated rivers, Water Res, 2011, Vol. 45, No. 2, 788-796. [7] HACKER J., Role of fimbrial adhesins in the pathogenesis of Escherichia coli infections, Can J Microbiol, 1992, Vol. 38, No. 7, 720-727. 412 [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] I. MAZUREK i in. JANKOWSKA K., OLANCZUK-NEYMAN K., Występowanie bakterii opornych na antybiotyki w wodach przybrzeżnych i piasku w rejonie Zatoki Gdańskiej, Materiały III Ogólnopolskiej Konferencji Hydromikrobiologicznej ''Metody biologii molekularnej w badaniach hydromikrobiologicznych'', Uniw. Zielonogór., 2004, s. 51. KOCZURA R., MOKRACKA J., BARCZAK A., KRYSIAK N., KAZNOWSKI A., Association between the presence of class 1 integrons, virulence genes, and phylogenetic groups of Escherichia coli isolates from River Water, Microb Ecol, 2013, Vol. 65, No. 1, 84-90. KORHONEN T.K., VALTONEN M.V., PARKKINEN J., VAISANEN-RHEN V., FINNE J., ORSKOV F., ORSKOV I., SVENSON S.B., MAKELA P.H., Serotypes, hemolysin production, and receptor recognition of Escherichia coli strains associated with neonatal sepsis and meningitis, Infect Immun, 1985, Vol. 48, 486-491. LEVESQUE C., PICHE L., ROY P.H., PCR mapping of integrons reveals several novel combinations of resistance genes, Antimicrob Agents Chemother, 1995, Vol. 39, No. 1, 185-191. MOKRACKA J., KOCZURA R., JABŁOŃSKA L., KAZNOWSKI A., Phylogenetic groups, virulence genes and quinolone resistance of integron-bearing Escherichia coli strains isolated from a wastewater treatment plant, Antonie Van Leeuwenhoek, 2011, Vol. 99, No. 4, 817-824. QUANT B., BRAY R., OLANCZUK-NEYMAN K., JANKOWSKA K., KULBAT E., ŁUCZKIEWICZ A., SOKOŁOWSKA A., FUDALA S., Badania nad dezynfekcja ścieków oczyszczonych odprowadzanych do wód powierzchniowych, Monografie komitetu inżynierii środowiska Polskiej Akademii Nauk, 2009, Vol. 61, 19-28. SILVA M.F, VAZ-MOREIRA I., GONZALEZ-PAJUELO.M., MANAIA C.M., Antimicrobial resistance patterns in Enterobacteriaceae isolated from an urban wastewater treatment plant, FEMS Microbiol Ecol, 2007, Vol. 60, 166–176. WILES T.J., KULESUS R.R., MULVEY M.A., Origins and virulence mechanisms of uropathogenic Escherichia coli. Exp Mol Pathol, 2008, Vol. 85, No. 1, 11–19. ZHANG X.X., ZHANG T., ZHANG M., CHENG S.P., Characterization and quantification of class 1 integrons and associated gene cassettes in sewage treatment plants. Appl Microbiol Biotechnol, 2009, Vol. 82, No. 6, 1169-1177. PREVALENCE OF FIMBRIAL AND TYPE 1 INTEGRON GENES AMONG ESCHERICHIA COLI DERIVED FROM TREATED SEWAGE AND THE WATERS OF THE SEWAGE RECEIVER. The aim of the study was to estimate the epidemiological risk from the E. coli strains, containing pathogenicity markers and class 1 integrons, isolated from treated sewage from the treatment plant Gdańsk-Wschód, and from receiver waters in Zatoka Gdańska. Phylogenetic typing was conducted and the presence of genes for the type 1, P and S fimbriae as well as genes for type 1 integrons were detected. In the phylogenetic structure of isolates from the treated sewage dominated group A and B2, while among E. coli from the receiver waters groups A and B1 were in the majority. In the entire set of tested strains, fimH gene for type 1 fimbriae was the most commonly identified. Strains containing all of three examined fimbriae were found in treated sewage only and they belonged to group B2. Type 1 integrons were detected with the low frequency. The obtained results indicate that the process of sewage purification may lead to the selection of pathogenic E. coli for the human. However, their contingent does not present a real threat for the waters of the sewage receivers.